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含气凝胶的垫层
    【技术领域】

    本发明涉及一种包含气凝胶颗粒和纤维的垫层(blanket)、一种制造该垫层的方法、及其用途。

    背景技术

    气凝胶具有极低密度、高孔隙度和小孔径。气凝胶，特别是孔隙度大于约60％以及密度低于约0.4g/cc的那些气凝胶，显示极低的导热率。因此，例如EP‑A‑0171722中所述的，气凝胶被用作绝热材料，在此将其全部引入作为参考。

    但是，气凝胶具有一些缺点。例如，气凝胶具有差的机械稳定性、布满灰尘(dusty)，以及当处于颗粒形式时，有随时间的推移而发生沉淀的倾向。另外，气凝胶可具有脆性、非韧性，且在压制时发生断裂。通常，压制或弯曲由气凝胶制成的大型片材的任何尝试都将使其破坏。此外，由于气凝胶缺少抗冲击性和柔韧性，所以难以对气凝胶进行运送、操作和安装。

    因此，对避免一种或多种上述缺点的复合材料存在需要。

    【发明内容】

    本发明的一个特征为提供一种制造包含气凝胶颗粒和纤维的垫层或毡片的方法，其中该垫层优选具有低导热率、机械稳定、和/或容易制造。

    本发明的另一个特征为提供一种制造包含气凝胶颗粒和纤维的垫层的方法，其中该垫层是相对无尘的。

    本发明的另一个特征为提供一种紧密混合气凝胶颗粒和水润湿的纤维的方法。

    本发明的附加特征为提供一种方法，其中疏水性气凝胶颗粒优选在干燥之后恢复其低密度。

    本发明的附加特征和优点将在以下说明书中部分阐明，并且根据该说明书在某种程度上将是显而易见的，或者可以由本发明的实践获知。本发明的目的和其它优点将通过在说明书和所附权利要求中特别指出的要素及组合加以实现和获得。

    如在此具体化和概括性描述的，为获得这些和其它优点，以及根据本发明的目的，本发明涉及一种包含气凝胶颗粒和纤维的垫层。形成本发明垫层的方法可以包括(a)形成疏水性气凝胶、纤维和至少一种润湿剂的水性浆液，(b)使浆液脱水，以及任选地进行压制以形成润湿网片(wet web)，(c)干燥该网片，以及(d)压延该网片以形成垫层。该方法还可以包括在垫层的至少一面上提供层以形成层压物的步骤。

    本发明进一步涉及由至少一种润湿剂润湿的气凝胶或者包含气凝胶和至少一种润湿剂的浆液。

    另外，本发明涉及一种具有至少两个玻璃层的面板，其中本发明的垫层位于两个玻璃层之间。整个面板优选被密封。作为玻璃的替代，可以使用塑料或其它类似材料。整个面板可以用作窗户、墙壁、地板等。

    应当理解，以上概述和以下详述都仅是示例性和说明性的，以及用来提供对所要求保护的本发明的进一步解释。

    在本申请各处提及的所有专利、申请和公开在此全部引入作为参考并且形成本申请的一部分。

    【具体实施方式】

    本发明涉及一种垫层以及涉及一种制造该垫层的方法。更具体地，本发明涉及一种含气凝胶的垫层或毡片，其克服了许多上述缺点并且可以用于涉及绝缘等的许多应用，包括作为位于玻璃或塑料层之间以形成整个面板的材料，该面板优选是半透明的并且可以用于许多应用，例如墙壁、帘幕、地板、窗户等。该垫层可以是机械稳定的、无尘的，且便于制造，和/或可以具有用作绝缘材料的低导热率。

    本发明还涉及一种包含例如气凝胶颗粒形式的气凝胶和纤维的垫层。通常，垫层为纤维状基质，其优选为包含气凝胶颗粒或在其中或在纤维之间已经分散气凝胶颗粒的无纺纤维状基体或织物。通常，气凝胶颗粒预先形成并均匀分散在纤维之间。因此，在至少一个实施方案中，本发明涉及一种包含至少一个湿法成网(wetlaid)无纺层的垫层，其中该湿法成网无纺层包含纤维和气凝胶、以及任选粘合剂的均匀混合物。

    在制造本发明垫层的优选方法中，制备疏水性气凝胶颗粒、纤维和至少一种润湿剂的水性浆液。优选，疏水性气凝胶颗粒与纤维至少暂时形成紧密混合物。该混合物然后可以基本脱水、压制、干燥并可以形成网片形式，以及如果需要，形成更加致密的结构，然后可以压延形成本发明的垫层。本发明中，术语“气凝胶颗粒”和“气凝胶”可互换使用。

    本发明中可以使用任何气凝胶颗粒。用于本发明的优选气凝胶颗粒为基于适用于溶胶‑凝胶技术的金属氧化物的那些(C.J.Brinker，G.W.Scherer，Sol‑Gel Science.1990年，第2和3章)，例如Si或Al化合物，或基于适用于溶胶‑凝胶技术的有机物质的那些，例如三聚氰胺‑甲醛缩合物(美国专利5,086,085)或间苯二酚‑甲醛缩合物(美国专利4,873,218)。它们还可以基于上述材料的混合物。优选使用含硅(Si)化合物的气凝胶，以及更优选使用SiO₂。为降低辐射对导热率的影响，气凝胶可以包含IR遮光剂，例如炭黑、二氧化钛、氧化铁或二氧化锆、或其混合物。

    气凝胶可以具有使其可以分散在浆液内的任何粒度。气凝胶可以具有各种粒度分布。气凝胶可以为粉碎的粉末或较大块的形式。较大的片可以具有约1mm到接近垫层厚度的尺寸的直径，以及粉碎的气凝胶可以具有1mm或更小的平均粒度直径。大片可以为球形，虽然气凝胶块可以具有任何形状。优选，气凝胶颗粒的粒径低于约0.5mm，以及更优选低于约0.2mm。适合的范围是0.01mm到1mm，或0.05mm到0.9mm。

    基本上，本发明中可以使用任何可商购的疏水性气凝胶。实例包括但不限于可商购自Cabot Corporation的气凝胶。特别的可商购类型包括但不限于气凝胶。本发明的优点，以及特别是用于本发明的优选方法为气凝胶预先形成，并且因此可以选择任何所需结构、形态或其它性能，以及这一性能基本存在于最终产品(例如垫层)中。

    用于本发明的气凝胶颗粒具有疏水性表面基团。为了避免气凝胶由于湿气在孔隙内冷凝而发生任何随后的坍塌，优选的是疏水性基团以共价键方式连接到气凝胶的至少内表面上。用于永久疏水性的优选基团为下式的一、二或三取代的甲硅烷基：

    

    其中R¹为氢或非反应性的线性、支化、环状芳香族或杂芳族有机基团，优选线性、支化或环状C₁‑C₁₈‑烷基或C₆‑C₁₄‑芳基。R²和R³可以相同或不同，可以为氢或非反应性的线性、支化、环状芳香族或杂芳族有机基团，优选线性、支化或环状C₁‑C₁₈‑烷基、C₆‑C₁₄‑芳基、OH或OR′基团，其中R′为线性或支化C₁‑C₆‑烷基；优选三烷基和/或三芳基甲硅烷基。

    更优选R¹、R²和R³可以相同或不同，为C₁‑C₆‑烷基、环己基或苯基。

    对于气凝胶的持久疏水性，使用三甲基和二甲基甲硅烷基可能是特别有利的。这些基团可以如WO94/25149(在此将其全部引入作为参考)中所述引入，或者通过气凝胶和例如活化的三烷基硅烷衍生物(例如氯代三烷基硅烷或六烷基二硅氮烷)之间的气相反应引入(参见R.Iler，The Chemistry of Silica，Wiley & Sons，1979年)。

    此外以及在一定的限度内，气凝胶的导热率可以随着孔隙度的升高以及密度的降低而降低。因此，孔隙度大于约60％以及密度低于约0.4g/cc的气凝胶是优选的。更优选，本发明的气凝胶的密度为约0.05到约0.15g/cc。气凝胶颗粒的导热率可以低于约40mW/m°K，优选低于约25mW/m°K，以及更优选，气凝胶颗粒的导热率为约12到约18mW/m°K，或更低。

    如上所述，本发明的气凝胶颗粒为疏水性和/或具有疏水性表面基团。但是，疏水性气凝胶颗粒不能由水润湿。通常，当将疏水性气凝胶颗粒加入水中时，它们仅浮在表面上，即使是在剧烈搅拌下。为了在水性浆液中获得疏水性气凝胶颗粒和纤维的均匀分布，至少一种润湿剂例如至少一种表面活性剂(surface active agent)(例如表面活性剂)和/或至少一种分散剂可用于更容易地容许用水润湿疏水性气凝胶颗粒。分散剂可以例如选自离子(阴离子和阳离子)表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂、高分子表面活性剂和高分子化合物。阴离子表面活性剂例如包括烷基硫酸盐和高级烷基醚硫酸盐，更具体地为月桂基硫酸铵和聚氧化乙烯月桂基醚硫酸钠。阳离子表面活性剂包括例如脂肪族铵盐和胺盐，更具体地为烷基三甲基铵和聚氧乙烯烷基胺。两性表面活性剂可以例如为甜菜碱型(例如烷基二甲基甜菜碱)或者为环氧(oxido)型(例如烷基二甲胺环氧)。

    非离子表面活性剂包括丙三醇脂肪酸酯、丙二醇脂肪酸酯、脱水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇脂肪酸酯、四油酸聚氧化乙烯山梨糖醇、聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基苯基醚、聚氧乙烯聚氧化丙二醇、聚氧乙烯聚氧丙烯烷基醚、聚乙二醇脂肪酸酯、高级脂肪酸醇酯、多元醇脂肪酸酯等。疏水性气凝胶颗粒和纤维的均匀分布可以提供具有几乎均匀的导热率的复合材料。

    可以使用的典型润湿剂包括例如AEROSOL OT(二‑2‑乙基己基硫代琥珀酸钠(sodium di‑2‑ethylhexylsulfosuccinite))、BARLOX 12i(支化的烷基二甲基胺氧化物)、TRITON 100(辛基苯氧基聚乙氧基(9‑10)乙醇)、TWEEN表面活性剂例如TWEEN 100表面活性剂、以及BASF pluronic表面活性剂。通常种类为二醇类、烷氧基化聚氧化烯脂肪醚，例如聚氧乙烯脂肪醚、脱水山梨糖醇酯、甘油单酯和甘油二酯、聚氧乙烯山梨糖醇酯，聚合物表面活性剂例如Hypermen聚合物表面活性剂，椰子‑PG‑二铵(dimoninm)氯化磷酸钠和共酰氨基(coamido)丙基PG‑二铵(dimonium)氯化磷酸酯、磷酸酯、聚氧乙烯(POE)脂肪酸酯、Renex非离子表面活性剂(由环氧乙烷与不饱和脂肪酸和杂环树脂酸的反应形成的非离子酯)、醇乙氧基化物、醇烷氧基化物、环氧乙烷/环氧丙烷嵌段共聚物、脱水山梨糖醇酯的聚氧乙烯衍生物或其组合。优选的润湿剂能够在干燥和/或热压延过程中挥发，使得可以适当恢复疏水性气凝胶颗粒的疏水性。如果润湿剂残留在气凝胶颗粒表面上，残留的润湿剂可以有助于复合材料的整个导热率。因此，优选的润湿剂是‑种这样的物质，其可以例如通过挥发(有或没有分解或其它方法)而去除。通常，可以使用与气凝胶相容的任何润湿剂。

    通常，疏水性气凝胶颗粒可以包括大表面积，例如约700m²/g。因此，将使气凝胶可以完全润湿的表面活性剂或分散剂的量可以大。通常，当已经添加足够量的润湿剂，使得水可以渗透气凝胶颗粒内部，使它们沉入水性介质中时，认为发生完全润湿。通常，向约1重量份的气凝胶中添加大于约0.6到0.8重量份的润湿剂可以导致疏水性气凝胶颗粒完全润湿。但是，当水性浆液基本被干燥时，充分润湿的颗粒可以显示出颗粒体积密度(bulk density)上的大大提高。因此，用充分润湿的气凝胶颗粒制造的复合材料的导热率倾向于具有更高的导热率。

    为了满意地恢复疏水性气凝胶颗粒的疏水性和低密度，优选的是使用仅润湿疏水性气凝胶颗粒的外表面层的润湿剂量。因此，在气凝胶颗粒外表面上可以存在要吸附的足够量的润湿剂。当仅气凝胶颗粒的外表面层被润湿时，在进行干燥时的气凝胶颗粒体积密度的提高可以忽略。因此，疏水性气凝胶颗粒的疏水性相对不受影响，并且复合材料倾向于具有低导热率。因此，对于约1重量份的气凝胶，优选使用约0.6重量份或更少的润湿剂。例如，约1重量份的气凝胶可以使用0.05重量份到约0.5重量份的润湿剂。润湿剂可以预先施加于气凝胶上，或者可以优选在添加气凝胶之前、同时或之后引入到浆液中。

    仅引起气凝胶颗粒的外表面层润湿所需的润湿剂量可以取决于疏水性气凝胶颗粒的尺寸。通常，较小尺寸的颗粒需要更多的润湿剂。优选，润湿剂的量足以使干燥之后的疏水性气凝胶的疏水性和低密度基本恢复。更优选，润湿剂的量足以使最终的复合材料具有低于约40mW/m°K，最优选为约10到约30mW/m°K，例如约12到约25mW/m°K的导热率。

    通常，在任选的强力振荡和/或搅拌之后，约0.1到约0.4重量份的润湿剂(加入水或其它水溶液中)对1份气凝胶可提供在搅拌下可以基本不含漂浮颗粒的水性浆液。但是，当静置时，该浆液可分成两层‑底部无气凝胶水层和表面润湿的气凝胶颗粒的上层。

    分离发生的速率可以取决于润湿剂对气凝胶的重量比、气凝胶粒度和浆液粘度，它们依次，可以取决于其固含量。固含量越高，发生分离过程所需的时间越长。当使用润湿剂的最低量以及气凝胶/纤维浆液的固含量接近约5到约10wt％固体时，浆液可足够粘稠，使得分离过程可被抑制或进行许多小时。随着使用的润湿剂量升高，分离速率降低。因此，通过调整固体、气凝胶粒度和润湿剂含量，纤维/气凝胶分离可以被减到最小，使得与形成干燥混合物所需的脱水时间相比，分离时间更长。

    纤维可以为天然纤维、合成纤维或两者。纤维状形成物可以包含至少一种热塑性纤维材料，气凝胶颗粒可以与其连接，以及通过该热塑性纤维材料，经由表面处的热塑性纤维熔融，使得纤维可以在该形成物中彼此连接，以及在冷却时导致纤维之间以及纤维与气凝胶颗粒之间的接合。该热固结可以确保稳定的纤维状形成物且气凝胶颗粒牢固地保持在该纤维状基体内。

    纤维状形成物可为能够使用表面成形技术制造的任何形成物。这种表面形成物可为织物、无规‑纤维毡片(random‑fiber matting)、针织物和/或绒毛织物(fleeces)。

    绒毛织物可包括稳定的纤维毡片，即具有有限长度的纤维的无规‑纤维毡片，以及纺成纤维毡片(spun‑fiber mat)，即具有连续纤维的那些。

    热塑性纤维的实例包括聚烯烃纤维、聚酰胺纤维或聚酯纤维。优选的适宜的纤维包括适于湿法成网(wetlaid)工艺的玻璃纤维(可由Lauscha FiberInternational获得)、Q纤维(可由Johns Manville获得)、聚合物纤维例如聚乙烯纤维(可由Mini‑Fibers获得)以及短切双组分纤维(可由Invista(正式地为Kosa)获得)。可用于本发明的其它类型的纤维为由非碳(non‑carbon)合成制备的矿物纤维、矿棉、硅灰石、陶瓷、纤维素、棉花、聚苯并咪唑、聚芳族聚酰胺(polyaramid)、丙烯酸类、酚类、聚丙烯、其它类型聚烯烃、或有机纤维例如芳族聚酰胺纤维或尼龙纤维。还可以对这些纤维进行涂覆，例如以金属(例如铝)进行金属镀覆的聚酯纤维。

    在某些实施方案中，用于本发明的纤维可以是半透明纤维。

    此外，为了提供具有阻燃作用的垫层，可以在聚酯链中缩合卤素化合物，优选，溴化合物，或更优选，膦酸化合物的添加剂。更优选，阻燃改性聚酯缩合进具有下式的链组分基团中：

    

    其中R表示具有2到6个碳原子的亚烷基或聚亚甲基或者苯基，以及

    R¹表示具有1到6个碳原子的烷基、芳基或芳烷基。优选，在上式中，R表示乙烯，R¹表示甲基、乙基、苯基、或邻、间或对甲基苯基，以及更优选为甲基。

    通常关于纤维，用于垫层的纤维的直径可以为任何尺寸。优选，纤维的直径小于气凝胶颗粒的平均直径，以便可以在垫层中结合高比率的气凝胶。选择极细直径纤维代替较大直径纤维，使得能够在降低的纤维含量下生产可比较的(comparble)强度的毡片。优选的纤维为直径低于约20微米(例如约1微米到约18微米)以及具有比粒径大得多的长度(例如约200微米到约10,000微米)的那些纤维。

    选择纤维直径和/或纤维材料可以降低辐射对导热率的影响，以及可以获得提高的机械强度。

    纤维的单根纤维的纤维细度可以在极宽限度内选择。优选，纤维细度低于约16分特(dtex)，以及更优选低于约6分特。最优选的纤维为纤维细度低于4并且切断长度超过4mm的双组分纤维。

    纤维可以具有任何形状。纤维可以为圆形、三叶形、五叶形、八叶形、条形或形如枞树、哑铃或其它形状。也可以使用中空纤维。另外，纤维材料可以为光滑的或卷曲的(crimped)。

    纤维可以由常规添加剂改性；例如抗静电剂如炭黑。纤维也可以包含IR遮光剂，例如炭黑、二氧化钛、氧化铁或二氧化锆，以及这些的混合物，以便降低辐射对导热率的影响。纤维也可以被染色，以具有颜色。

    辐射对导热率的影响可以通过使用黑化(blackened)纤维，例如用炭黑黑化的聚酯纤维或者仅碳纤维得到进一步降低。炭黑也可以加入到组合物中。干燥之后得到的制品的机械强度也可以受组合物中纤维的长度和分布的影响。

    为了减少由添加纤维引起的导热率的升高，纤维的比例(按重量计)必须保持在得到所需垫层强度所要求的最小量。需要的纤维量取决于其密度、直径、长度以及特别是其结合性能，并且可以为约15％到约70％，以及优选约20％到约60％。纤维材料的导热率可以为约0.1到约1W/m°K，以及优选低于约1W/m°K。

    在本发明的一个实施方案中，本发明涉及一种有或没有纤维的包含气凝胶和至少一种润湿剂的浆液。在本发明的另一个实施方案中，本发明涉及一种用至少一种润湿剂或分散剂涂布或润湿的气凝胶。气凝胶颗粒可以完全润湿、部分润湿(例如表面润湿)或者存在于浆液中。组分和用量的细节如上所述。涂有润湿剂的浆液或气凝胶可以以一种容易将疏水性气凝胶引入各种材料中的方法用作例如湿水泥、混凝土或其它含水流体、浆液或材料，其可以任选硬化形成固体材料。用至少一种润湿剂润湿的气凝胶或包含该气凝胶以及至少一种润湿剂的浆液容许容易地引入和疏水性气凝胶的均匀分布。如上所述，气凝胶和润湿剂的类型、用量等在此同样应用于这些实施方案。

    制造本发明复合材料的优选方法为水基无纺(例如湿法成网)方法。该组合物可以通过将气凝胶颗粒、纤维、至少一种润湿剂和/或任何附加添加剂以及水溶液(例如水)进行混合而制备。这种混合可以以任何所需方式进行。因此，各组分可以同时或顺序地或以任何次序引入混合装置中。另外，预先制造的合适纤维的水性分散体可以加入到预先制造的表面润湿的气凝胶的搅拌浆液中，以产生两种组分的紧密混合物。关于混合所需的混合装置同样没有限制。可以使用本领域技术人员对于该目的已知的任何混合装置。

    混合操作优选在存在于组合物中的纤维之间提供气凝胶颗粒的分布。该分布可以是均匀的。混合持续时间可以变化，该变化取决于搅拌装置的速率、纤维和气凝胶颗粒的尺寸、存在的润湿剂的用量，以及其它可变量，例如温度。

    为产生具有低导热率的相对无尘的垫层，优选的是纤维的重量比例尽可能地小，但足以容纳气凝胶。因此，所需的纤维重量可以取决于其密度、自粘结特性、直径、长度等，以及通常可以大于15％。优选，纤维的重量比例为约20wt％到约70wt％。可以使用其它用量。更优选，对于双组分纤维，纤维的重量为约30％，对于玻璃纤维，纤维的重量为约50％，以及对于两种纤维的等量混合物，纤维的重量为约40％。另外，气凝胶的重量比例优选为约30％到约80％。可以使用其它用量。

    浆液然后可以由任何已知方法脱水，例如网筛、过滤等。为保证由密度差异导致的纤维/气凝胶分离最小，在脱水过程中可以继续温和搅拌。优选，浆液通过使用本领域技术人员已知的湿法成网技术，在网筛上过滤脱水。例如，参见美国专利5,399,422，在此将其全部引入作为参考。

    本发明的垫层可以任选包括两个或多个层，以形成可以包括三个或更多层的多层或“夹层”结构。每个层可以具有任何厚度和/或气凝胶对纤维重量比。该结构可以包括气凝胶对纤维重量比比中间层相对低的相对薄的顶层和底层，以及气凝胶对纤维重量比大于顶层和底层的相对厚的中间层。这种结构可以使用用于制造硬纸板(cardboard)的圆网机轻易制造。

    多层或夹层结构可以以任何方法制造，例如预先形成每个层，然后将其层压在一起。或者，各层可以由原位法依次形成。例如，具有预定气凝胶对纤维重量比的第一浆液可以被制备并过滤以形成第一层。具有不同气凝胶对纤维重量比的第二浆液然后可以被制备、引入以及经由第一过滤的混合物过滤，在第一层上形成第二层。在第二浆液至少基本滤过第一过滤的混合物之后，具有与第一浆液相同或不同气凝胶对纤维重量比的第三浆液可以制备并经由第一和第二过滤的混合物引入，在第一或第二层侧形成第三层。

    所得一种或多种过滤的混合物然后可以受压以除去水并提高网片密度，在预定温度和压力下干燥，以及在预定温度和/或压力下压延，形成本发明的垫层。气凝胶颗粒和纤维的过滤的混合物可以在预定温度下，由任何已知方法和/或设备加压和干燥。滚压机(rotary press)可以用于网片脱水和压制。干燥可以由蒸汽加热的机筒或由高速气流干燥或由辐射加热完成。优选，过滤的混合物在润湿剂挥发或分解的温度下干燥，使得疏水性气凝胶颗粒的疏水性得到令人满意的恢复。另外，干燥过程也可以引起一些或全部纤维彼此粘合和/或与气凝胶粘合。优选，过滤的混合物在至少约100℃，以及更优选至少约120℃下进一步干燥。

    可以为网片形式的该干燥的混合物然后可以用热压延机，优选热压延辊，至少部分进一步热粘合，以形成稳固的和相对无尘的垫层或复合材料。该干燥的混合物/网片也可以在预定温度和时间下压延到预定密度。优选，在压延加工过程中施加足够的温度和压力，以形成密度为约0.07g/cc到约0.16g/cc的垫层。根据垫层的所需密度，热压延的温度和时间可以变化。

    本发明中，通常，由于制造垫层的优选方法包含气凝胶和纤维，包含纤维和气凝胶的垫层具有显著的纤维‑纤维接触。另外，存在于垫层中或分布在垫层中的纤维的基体各处的气凝胶基本上保持其形状和其它形态性能。换句话说，使用本发明的优选方法，可以从已知结构、已知形态和其它性能的气凝胶开始，并且一旦存在于包含气凝胶和纤维的垫层中就基本保持这些性能。这不同于用纤维原位形成气凝胶，由此不能控制或得到所需的结构或其它性能。

    如上所述，优选，本发明的垫层包含具有气凝胶(例如气凝胶颗粒)的无纺纤维。本发明所述的另一种方法为包含气凝胶颗粒的无纺织物的垫层。通常，织物由优选以随机方式机械定位的棉、人造纤维、玻璃或热塑性合成纤维的纤维长度制造。纤维可以用粘合剂，例如合成胶粘剂或胶乳粘合。无纺织物的一种或多种片材可以形成并与气凝胶颗粒一起压制在一起以形成毡片。通常，当作为热处理的结果，纤维彼此接触时，特别是当纤维为热塑性纤维时，形成持久的粘合，或者持久的粘合可以通过利用粘结剂或胶粘剂(例如高聚物粘结剂)得到。无纺织物可以为或者可以包含多于一种纤维，例如两种不同聚合物的组合或者玻璃和聚合物纤维的组合。

    本发明的垫层可以在至少一个面上任选具有至少一个覆盖层，以形成层压物，以便改善表面性能，例如提高耐磨性、为表面提供防潮层(vapor barrier)或者保护表面以免变脏。覆盖层也可以改善由复合材料制造的制品的机械稳定性。如果覆盖层在两个表面使用，那么这些覆盖层可以相同或不同。合适的覆盖层可以为本领域技术人员已知的任何材料。覆盖层可以是无孔的，并因此有效地作为防潮层；实例为塑料薄膜、金属箔、或反射热辐射的金属镀覆的塑料薄膜。也可以使用允许空气进入材料的多孔覆盖层。多孔覆盖层的实例为多孔薄膜、纸张、织物和织网。基体材料本身也可以用作覆盖层。优选，覆盖层为聚合物薄膜，例如聚酯、聚氨酯等，或者薄的玻璃纤维毡片或垫层。覆盖层可以由许多方法施加于垫层。除了已经提及的原位法之外，这些方法包括以下：

    1.在纱布(scrim)上形成垫层和/或在湿垫层上放置纱布，然后压制和干燥。纱布可以由聚合物或玻璃纤维毡片组成。

    2.在干燥的垫层表面上放置多孔或无孔热塑性薄膜，然后在足以引起覆盖层粘合到垫层的温度下进行热压延。粘合可以通过利用热熔性粘合剂得到进一步促进。

    因为覆盖层通常比包含气凝胶的基体更加导热，所以该覆盖层的厚度应比基体的厚度小得多。优选，覆盖层的厚度为约0.04mm或更小，例如0.005mm到0.04mm。

    在本发明的一些实施方案中，本发明涉及一种面板结构，其具有至少两个玻璃层，其中玻璃层被间隙隔开。本发明的气凝胶垫层或毡片至少部分填充或位于该间隙中，以提供包括绝热的许多好处。气凝胶垫层或毡片通常可以具有.35或更小的U‑因数，以及.4或更小的太阳热能获得系数。该可见透射率(VT)可以为0.90或更小或者0.75或更小。因此，在本发明的至少一个实施方案中，本发明涉及具有玻璃作为内层和外层的双层玻璃窗或结构，以及其中至少部分用本发明的气凝胶垫层或毡片替代的空气间隙。该间隙可以为任何常规尺寸，例如约2mm到约10mm或更多。面板结构的尺寸可以为任何常规尺寸，例如长度或宽度或两者为1m或更小到5m或更多。使用的玻璃层可以为透明玻璃、着色玻璃、高性能着色玻璃、高太阳热能获得低E玻璃或其它变体。面板结构可以具有三个或更多装玻璃的层(glazing layer)，以及一个或多个间隙可以包含本发明的气凝胶垫层或毡片。三个或更多或三重装玻璃的(glazed)面板结构可以具有塑料层或其它聚合物层或作为其中一层的纤维，例如中间装玻璃的层(glazing layer)。

    关于气凝胶垫层或毡片，多于一个气凝胶垫层或毡片可以用于在间隙中形成多层气凝胶垫层或毡片，或者可以使用单一的垫层或毡片。气凝胶垫层或毡片厚度可以为与间隙厚度相同的厚度，或者其可以更小。换句话说，垫层或毡片可以填充整个间隙，或者可以为空气或其它气体，例如氪气或氩气或其它材料保留一些空间。

    使用气凝胶毡片或垫层提供许多优点。例如，如果气凝胶颗粒仅倒入双层玻璃之间的间隙中，那么存在由气凝胶的这一应用产生的许多问题。首先，颗粒气凝胶难以操作。其次，在制造方法过程中，气凝胶颗粒难以引入双层玻璃之间。此外，当颗粒气凝胶位于窗户结构中的双层玻璃之间时，当玻璃膨胀时，气凝胶可受到压力，该压力可以使气凝胶颗粒断裂，并因此损害气凝胶的绝缘值。本发明通过使用为气凝胶提供稳定载体的气凝胶垫层或毡片克服了这些困难。不同于需要完全引入间隙内的颗粒状气凝胶以及需要确保存在足够的气凝胶颗粒以完全填充间隙整体的颗粒状气凝胶，本发明的气凝胶垫层或毡片提供这样的结构，其中气凝胶颗粒基本均匀分布在毡片各处，使得气凝胶存在于间隙各处，并充分悬浮在垫层或毡片中。因此，悬浮的气凝胶与纤维一起存在于垫层或毡片中，提供足够的空间和柔韧性，使得当玻璃层膨胀或收缩时，存在于垫层或毡片中的气凝胶不发生破碎，并因此不发生破坏。换句话说，在垫层或毡片中存在足够的空间或“弹性(give)”，使得气凝胶不发生破坏。另外，使用垫层或毡片为在制造方法过程中在双层玻璃或其它材料之间引入气凝胶提供容易的手段。此外，没有气凝胶沉淀的问题，因为气凝胶悬浮于垫层或毡片中。

    另外，垫层或毡片可以夹有例如间隔物、紧固件和/或粘合剂，或其它材料或元件的各种材料的组合，以增加垫层或毡片的刚性，使得一旦其存在于玻璃或其它材料层之间的间隙中，该垫层或毡片不发生弯曲。

    作为玻璃层的替代，当然其在本发明的实施方案内，使用适于替代玻璃的材料(例如聚合物等)的其它层。

    为了本发明的实施方案，气凝胶垫层或毡片可以以任何形式制备，包括关于使用水性浆液的上述方法。但是，其它方法也可用于制造气凝胶毡片或垫层。

    位于双层玻璃或其它材料之间的垫层然后与双层玻璃紧密地密封，以形成整个面板结构。紧密地密封该结构的方法是常规的和本领域技术人员已知的。本发明的面板结构可以用于需要一定透光性的各种不同的窗户和门以及其它结构。结构的框架可以具有任何常规材料，例如金属、木材、聚合物等。如同常规的窗框一样，面板结构的形状可以为任何常规的窗户或门的形状。

    通常，本发明的垫层可以用于许多用途，包括绝缘用途，包括例如在1000℃到1200℃或更高的温度下需要绝热的应用。例如，以及仅仅作为实例，本发明的垫层可以用作用于管道(例如双层外套管)的绝缘材料、飞机及其部件的绝缘体、建筑绝缘体、航空绝缘体、汽车绝缘体、服装绝缘体、鞋类绝缘体等。基本上，本发明可以用和气凝胶毡片或其中使用多个气凝胶一样的方法使用。

    另外，关于有或没有纤维的包含润湿剂的气凝胶，本发明可以用于建筑材料，例如水泥、混凝土以及泡沫，例如组合泡沫塑料。通常，常规用量的这些材料可以用于这些各种应用。气凝胶可以以一定用量存在，以得到所需绝热性能。

    通过以下实施例对本发明将作更进一步的阐明，这些实施例仅仅作为本发明的示例。

    实施例

    实施例1

    测定给定体积的两种平均粒度的气凝胶的重量，由此评估其体积密度。颗粒然后通过用含有Barlox 12i表面活性剂的水强力振荡一夜，完全或部分(即主要是外表面层)润湿。通过向每份气凝胶分别添加0.8重量份和0.2重量份的润湿剂，完成完全和部分润湿。干燥该浆液，并测定所得干燥粉末的体积。湿润之前和之后的气凝胶颗粒的体积密度在表1中总结。数据显示当用0.8份的润湿剂润湿颗粒时，体积密度存在可观的升高。相反，当使用减少用量的润湿剂(0.2份)时，颗粒体积密度仅略微大于初始试样的体积密度。结果显示，当浆液基本干燥时，疏水性气凝胶的密度得到恢复/回复。实验工作已经显示使用0.1重量份的Barlox 12i表面活性剂足以引起平均尺寸大于约30μm的气凝胶颗粒发生润湿。就这点而论，对于仅小含量的润湿剂，在对表面润湿的气凝胶颗粒进行干燥时，可以预期气凝胶颗粒的疏水性性能完全恢复。

    表1.润湿剂含量对回弹(spring back)的影响

       气凝胶粒度  mm  气凝胶体积密度  kg/m³  Barlox 12i对  气凝胶重量比  润湿后气凝胶的体积  密度，kg/m³  1.0  0.06  1.0  0.06  61  88  63  85  0.8  0.8  0.2  0.2  290  130  66  95

    实施例2

    两种平均尺寸的气凝胶颗粒的表面层用含有Barlox 12i表面活性剂的水润湿。所得浆液然后与Kosa型105双组分纤维(3旦，0.64mm切断长度，外皮熔融温度(sheath melting temperature)为128℃)的水性分散体组合，然后经由0.203×0.203m²(8英寸×8英寸)漏斗真空过滤。使用的气凝胶平均粒度以及气凝胶、纤维和Barlox 12i的重量列于表2中。通过振荡将气凝胶分散在约750ml的水/Barlox 12i溶液中，然后搅拌直到发生完全润湿(当没有粉末漂浮在强力搅拌的浆液的表面上时测定)。通过温和搅拌将Kosa纤维分散在约1.5升水中。这些然后加入到气凝胶浆液中，搅拌约1分钟然后过滤。为保证由密度差异导致的纤维/气凝胶分离最小，在过滤过程中继续温和搅拌，直到得到约1.5升的滤液之后停止搅拌。所得毡片然后在100℃下干燥一夜。

    表2.垫层组合物

       组合物  编号  气凝胶尺寸  μm  气凝胶重量  g *Barlox 12i g  Kosa纤维  g  **纤维重量％  1  2  3  4  5  6  30  30  30  60  60  60  22  23.43  24.75  22  23.43  24.75  2.2  2.34  2.48  2.2  2.34  2.48  11  9.6  8.25  11  9.6  8.25  33.3  29.1  25.0  33.3  29.1  25.0

    *Barlox 12i以30wt％水溶液的形式得到。所列重量为纯化合物的重量。

    *除Barlox 12i以外，其在140℃挥发。

    以每个组合物制造若干毡片。在140℃下热压毡片15分钟至指定厚度导致可观的强度增长。随着纤维含量减少，气凝胶脱离毡片的倾向升高。含有33wt％纤维的毡片是相对无尘的。

    该干燥的毡片的顶面和底面用25μm厚的聚酯薄膜覆盖。毡片然后在140℃下热压15分钟至不同厚度，或者相同毡片被热压至连续更小的厚度。良好粘合在毡片和聚酯薄膜之间形成，使得毡片变为无尘。使用LasercompFox 200热流设备(0℃冷侧和25℃热侧)，在12.5℃平均温度下评价毡片的导热率。表3中列出试样的体积密度及其导热率。

    表3.“垫层”的导热率

       组合物编号  体积密度，g/cc  导热率，mW/m°K  1  1  1  1  1  2  2  2  2  2  3  3  3  3  3  4  4  4  4  4  5  5  5  5  5  6  6  6  6  6  0.103  0.109  0.146  0.159  0.202  0.103  0.112  0.137  0.171  0.217  0.099  0.107  0.145  0.165  0.216  0.104  0.113  0.138  0.166  0.213  0.103  0.113  0.142  0.162  0.193  0.104  0.111  0.131  0.163  0.211  23.81  23.77  23.76  23.43  23.38  21.13  20.88  20.57  20.99  23.15  22.27  21.85  19.69  20.56  20.43  21.66  21.28  20.13  19.92  20.38  21.82  20.28  19.45  19.10  19.35  20.71  20.42  20.03  19.92  20.56

    表中的数据显示对于每个组合物来说，对最低导热率存在最佳的垫层密度。虽然数据中存在一定分散，但在相同的垫层密度下，导热率随着垫层气凝胶含量和平均气凝胶粒度升高而降低。但是，包含29和25wt％纤维的组合物之间性能的差别是细微的。对于现有纤维，该数据暗示约29wt％的气凝胶含量在含尘量和导热率之间存在良好的平衡。

    实施例3

    强力振荡22.5g气凝胶，然后用含有52.5g的30wt％Barlox 12i润湿剂的400ml水搅拌，直到形成静置时不分离的均匀浆液。将该浆液加入到在3升水中的33.75g Johns Manville Q纤维的分散体中。在13英寸直径Buchner上过滤该组合的浆液。然后干燥所得毡片，然后加热到130℃除去润湿剂。从毡片切掉0.203×0.203m²(8英寸×8英寸)切片用于导热率评价。形成具有相同组成的另外的毡片并压实到不同密度。各个垫层的导热率及其密度在表4中列出。不考虑毡片密度，这些毡片的导热率比表3中所列的大的多。因为使用的Q纤维对气凝胶的体积基本上不比Kosa纤维对气凝胶的体积大，所以升高的导热率归因于干燥时完全润湿的气凝胶的密度升高的影响。

    表4.含有完全润湿的气凝胶的垫层的导热率

       垫层密度，g/cc  导热率，mW/m°K  0.133  0.223  0.253  31.85  28.27  29.09

    实施例4

    使用以下步骤制备Kosa型105纤维(3旦，4mm切断长度)和平均粒度为65μm的部分润湿的气凝胶的三个单独的浆液：

    1)通过强力振荡和随后的搅拌，将2.5g气凝胶分散在含有0.83g的30wt％Barlox的250ml水中。然后将该产物与通过温和搅拌形成的由500ml水中的2.5g Kosa型105纤维组成的浆液进行组合。

    2)制备具有步骤#1的组合物的第二浆液。

    3)通过强力振荡和随后的搅拌，将24.75g气凝胶分散在含有8.25g的30wt％Barlox的750ml水中。然后将该产物与通过温和搅拌形成的由1.5升水中的8.25g Kosa型255纤维组成的浆液进行组合。

    良好混合浆液#1，然后经由0.203×0.203m²(8英寸×8英寸)漏斗真空过滤，直到形成没有表面水的毡片。良好混合浆液#3，然后经由浆液#1的毡片过滤。最后，经由浆液#3的毡片过滤良好混合的浆液#2。由此形成三层结构。毡片在100℃下干燥然后在140℃下热压到不同密度。所得毡片具有良好的强度。不同毡片密度下的导热率在表5中列出。可以预期的是，例如通过降低底层和顶层的厚度、升高其气凝胶含量以及升高中间层的气凝胶含量，使毡片结构进一步最佳化，将形成导热率甚至更小的垫层。

    表5.具有夹层结构的毡片的导热率

       垫层密度，g/cc  导热率，mW/m°K  0.107  21.82  0.124  21.06  0.129  21.18  0.133  21.20  0.206  20.83  0.332  27.04

    实施例5

    毡片如下制造：

    1)通过强力振荡和搅拌，将平均粒度为65μm的22g气凝胶分散在含有2g Barlox分散剂(100％基准)的750ml水中。通过分散机单独将22g LauschaBO6F纤维(6μm直径)分散在3升水中。首先温和搅拌玻璃纤维浆液，然后在约30分钟之后逐渐升高搅拌速率(至约10,000RPM)。然后组合并温和搅拌气凝胶/玻璃纤维分散体。经由0.203×0.203m²(8英寸×8英寸)漏斗过滤所得浆液。发生极快速的脱水。毡片在120℃下干燥一夜，称量然后热压至连续更高的密度(由垫层重量和厚度测定)。在每个密度下测定毡片的导热率。

    2)重复实验1，除了纤维分散体由Lauscha B26R玻璃纤维组成以外。

    3)重复实验1，除了纤维分散体由20g Lauscha BO6F纤维和2gMinifibers EST8聚乙烯纤维组成以外。在添加玻璃纤维之前，首先通过Warring混合器在约300ml水中分散聚乙烯纤维。

    4)重复实验1，除了用平均粒度为1mm的气凝胶替代该气凝胶以外。毡片的密度、导热率和一些性能在表6中总结。

    表6.气凝胶/玻璃纤维毡片的性能

      实验#  厚度  cm  密度  g/cc  导热率  mW/m°K  注释  1  1.653  1.409  1.206  0.908  0.062  0.073  0.085  0.113  25.18  24.40  23.73  22.63  a  2  1.859  1.559  0.060  0.072  26.19  25.08  b  3  1.884  1.493  1.300  0.916  0.645  0.302  0.055  0.069  0.079  0.112  0.160  0.328  25.89  24.68  24.03  22.83  22.41  26.63  c  4  2.011  1.531  0.053  0.069  26.30  24.95  d

    a)毡片是相当稳固的且仅略微含灰尘。

    b)相比实验1的毡片，该毡片薄弱得多并且含更多灰尘。这一点归因于使用比实验1中更大直径的玻璃纤维。

    c)相比实验1的毡片，该毡片更稳固并且含尘量的倾向较小。这一点归因于聚乙烯(在加热到其熔点之上时)起玻璃纤维的粘合剂的作用。

    d)毡片包含大量/高量的松散气凝胶(loose aerogel)。该实验显示，为了使含尘量最小化，存在最佳的气凝胶尺寸。

    实施例6

    使用以下步骤制备Lauscha BO6F玻璃纤维和平均粒度为65μm的部分润湿的气凝胶的三个单独的浆液：

    1)通过强力振荡和随后的搅拌，将2.5g气凝胶分散在含有0.83g的30wt％Barlox的250ml水中。然后将该产物与用分散机在500ml水中分散的3g Lauscha BO6F纤维的浆液组合(通过搅拌)。

    2)制备具有步骤#1的组合物的第二浆液。

    3)通过强力振荡和随后的搅拌，将9g气凝胶分散在含有3g的30wt％Barlox的750ml水中。然后将其与由用分散机分散的在1.5升水中的6gLauscha BO6F纤维组成的浆液组合(通过搅拌)。

    良好混合浆液#1，然后经由0.203×0.203m²(8英寸×8英寸)漏斗真空过滤，直到形成没有表面水的毡片。良好混合浆液#3，然后经由浆液#1的毡片过滤。最后，经由浆液#3的毡片过滤良好混合的浆液#2。由此形成三层结构。将湿毡片压实到厚度为0.635cm(1/4″)并在125℃下干燥。评价导热率，然后在140℃下热压至不同密度。所得毡片具有良好的强度并且基本无尘。

    实施例7

    使用以下步骤制备Lauscha BO6F玻璃纤维、聚乙烯和平均粒度为65μm的部分润湿的气凝胶的三个单独的浆液：

    1)通过强力振荡和随后的搅拌，将2.5g气凝胶分散在含有0.83g的30wt％Barlox的250ml水中。然后将该产物与最初分散在Warring混合器中的lg聚乙烯且然后添加2g Lauscha BO6F纤维以及随后由分散机在500ml水中分散的浆液组合(通过搅拌)。

    2)制备具有浆液#1的组合物的第二浆液。

    3)通过强力振荡和随后的搅拌，将9g气凝胶分散在含有3g的30wt％Barlox的750ml水中。然后将该产物与由用分散机分散的在1.5升水中的6gLauscha BO6F纤维组成的浆液组合(通过搅拌)。

    良好混合浆液#1，然后经由0.203×0.203m²(8英寸×8英寸)漏斗真空过滤，直到形成没有表面水的毡片。良好混合浆液#3，然后经由浆液#1的毡片过滤。最后，经由浆液#3的毡片过滤良好混合的浆液#2。由此形成三层结构。将湿毡片压实到厚度为0.635cm(1/4″)并在125℃下干燥。评价导热率，然后在140℃下热压至不同密度。所得毡片具有良好的强度并且基本无尘。实验7的毡片稍微比实验6的毡片稳固。毡片厚度、密度和导热率在表8中总结。

    表8.多层毡片的性能

      实验#  处理  厚度  cm  密度  g/cc  导热率  mW/m°K  6  压实  热压  0.835  0.787  0.077  0.082  24.25  23.71  7  压实  热压  0.949  0.759  0.063  0.083  25.10  23.78

    可以预期的是，例如通过降低底层和顶层的厚度、升高其气凝胶含量以及升高中间层的气凝胶含量，使毡片结构进一步最佳化，将形成在给定的整个垫层密度下导热率甚至更小的垫层。

    本发明的其它实施方案对于本领域中的技术人员在阅读本说明书和其中所公开的本发明实践之后是显而易见的。本说明书和实施例仅是示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求书及其等价物指明。